【正文】 質(zhì)和灰分熱膨脹性不同 ， 會沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生并擴大裂紋 ， 加速焦炭破碎或粉化 。 表 12 冶金用焦炭與精煤灰分國標 國別 中國 美國 原蘇聯(lián) 德國 法國 日本 I級 II級 III級 焦炭灰分 /% ? ? ? 精煤灰分 /% ～ ～ ～ ～ 焦炭及其性質(zhì) （ 3） 揮發(fā)分 （ Vdaf） 和固定碳 （ FC） 揮發(fā)分是衡量焦炭成熟程度的標志 ， 通常規(guī)定高爐焦的揮發(fā)分應(yīng)為 %左右 ， 若揮發(fā)分大于 % 則表示生焦 ， 其不耐磨 ， 強度差；若揮發(fā)分小于 %， 則表示過火 ，過火焦裂紋多且易碎 。 從圖可以看出 ， 由不同煤化度的煤制取的焦炭其含碳量基本相同 。 工業(yè)上通常用重量法測定 。 高爐爐料中的磷全部轉(zhuǎn)入生鐵 ， 轉(zhuǎn)爐煉鋼不易除磷 ， 要求生鐵含磷低于 %～%。 當溫度低于 1100℃ 時 ， 化學反應(yīng)速度較慢 ， 焦炭氣孔內(nèi)表面產(chǎn)生的 CO分子不多 ， CO2分子比較容易擴散到內(nèi)表面上與 C 發(fā)生反應(yīng) ， 因此整個反應(yīng)速度由化學反應(yīng)速度控制 。 低煤化度的煤煉制的焦炭反應(yīng)性較高；相同煤化度的煤 ， 當流動度和膨脹度高時制得的焦炭 ， 一般反應(yīng)性較低；不同煤化度的煤所制得的焦炭 ， 其光學顯微組織不同 ， 反應(yīng)性不同 。 焦炭及其性質(zhì) 五 、 塊焦反應(yīng)率及反應(yīng)后強度 焦炭與 CO2反應(yīng)過程中 ， 反應(yīng)速度受多種因素的影響 ，如其它條件不變 ， 在規(guī)范化的裝置內(nèi)按統(tǒng)一規(guī)定的條件 ，通過反應(yīng)前后焦炭試樣重量的變化率或氣體中 CO2濃度的變化率 ， 可以表示焦炭的反應(yīng)速度 。 塊狀焦炭在一定尺寸的反應(yīng)器中 ， 在模擬生產(chǎn)的條件下進行的反應(yīng)性實驗屬塊焦反應(yīng)性實驗 。 焦炭及其性質(zhì) 第二節(jié) 高爐煉鐵 焦炭主要用于高爐冶煉 ， 其次還用于鑄造 、 氣化 、 和生產(chǎn)電石等 ， 它們對焦炭有不同的要求 。 焦炭及其性質(zhì) 圖 17 高爐爐型及各部位溫度與煤氣組成 a— 爐型； b— 高爐內(nèi)溫度沿高爐的變化； c— 煤氣中 CO沿高度的變化； Ⅰ — 800℃ 以下區(qū)域； Ⅱ — 800～ 1100℃ 區(qū)域； Ⅲ — 1100℃ 以上區(qū)域； Hu— 有效高度； — 爐腹角； — 爐身角 焦炭及其性質(zhì) 燃燒放出的熱量是高爐冶煉過程的主要熱源 ， 占冶煉所需熱量的 75%～ 80%， 反應(yīng)后生成的 CO作為高爐冶煉過程的主要還原劑 ， 使鐵礦石中的鐵氧化物還原 ， 因此 ，自下而上煤氣溫度逐漸降低 （ 圖 17b） 。 綜上 ， 高爐的基本功能是將鐵礦石預熱 、 還原 、 造渣 、脫硫 、 熔化 、 滲碳 ， 從而得到合格的鐵水 。 從以上反應(yīng)可以看出 ， 直接還原大量吸熱 ， 不利于高爐內(nèi)的熱能利用 ， 又因碳溶反應(yīng)使焦炭氣孔壁削弱 ， 所以應(yīng)發(fā)展間接還原 。 焦炭及其性質(zhì) （ 1） 高爐冶煉過程中硫的動態(tài) 高爐中的硫主要由焦炭帶入 ， 一般為爐料中總硫量的 80%以上 。 因此鐵礦石宜用經(jīng)過焙燒的人造富礦 ， 焦炭要控制硫分 ， 故降低焦比是降低硫負荷的重要途徑 。 例如： （ FeS） +（ CaO） ==（ CaS） +（ FeO） ， 由于爐渣中的 FeO 又與焦炭或鐵水中的碳作用 ， FeO+C==Fe+CO，從而促使反應(yīng)向脫硫方向進行 。CaCO 3） 代替部分石灰石來增加爐渣中 MgO的含量 ， 可以提高爐渣的穩(wěn)定性 ， 使之具有良好的流動性 ， 有利于造渣脫硫 。 在軟融帶內(nèi)融著層幾乎不透氣 ， 上升煤氣幾乎全部從焦炭縫隙流過 。 所以對上部爐料起支承作用 ， 并成為煤氣上升和鐵水 、 熔渣下降所必不可少的高溫疏松骨架 。 綜上 ， 高爐焦要求灰低 、 硫低 、 強度高 、 粒度適當且均勻 、 氣孔均勻 、 致密 、 反應(yīng)性適度 、 反應(yīng)后強度高 。 焦炭中鉀 、 鈉含量很低 ， 一般小于 %， 對焦炭還不足以產(chǎn)生有害影響 ， 但在高爐內(nèi) ， 礦石和焦炭帶入的堿金屬鹽類會分解 ， 并進一步被碳還原和氣化成鉀 、 鈉蒸汽 。 焦炭及其性質(zhì) 高爐內(nèi)的硫主要來自焦炭 ， 降低生鐵含硫量的途徑是減少爐料帶入硫量 、 提高爐渣的脫硫能力 ， 爐渣的脫硫能力與爐渣溫度和堿度有關(guān) 。 在氧化帶上端開始的還原帶內(nèi) ， 由于過量CO2的存在 ， 與焦炭發(fā)生碳溶反應(yīng)而產(chǎn)生 CO， 隨爐氣上升 CO含量逐漸增加；由于反應(yīng)強烈吸熱 ， 故爐氣溫度在還原帶內(nèi)隨爐氣上升則急劇降低 。 因此應(yīng)降低鼓風空氣的濕度 ， 這還有利于提高爐溫 。min ） ； —— 鑄造焦平均直徑 ， m； v—— 鑄造焦在氧化帶內(nèi)燃燒的線速度 ， m/min。 所以鑄造焦的硫分應(yīng)嚴格控制 。 表 14 鑄造焦質(zhì)量標準 指標 級 別 特級 一級 二級 粒度 /mm 80 80～ 60 60 水分 /% 不大于 灰分 /% ≤ ～ ～ 揮發(fā)分 /% 不大于 硫分 /% 不大于 轉(zhuǎn)鼓強度 /% 不小于 落下強度 /% 不小于 顯氣孔率 /% 不大于 40 45 45 碎焦率 （ 40mm） /% 不大于 焦炭及其性質(zhì) 二 、 氣化焦 氣化焦是用于生產(chǎn)發(fā)生爐煤氣或水煤氣的焦炭 ， 以作為合成氨的原料或民用煤氣 。 電石生產(chǎn)過程是在電爐內(nèi)將生石灰熔融 ， 并使其與碳素材料發(fā)生如下反應(yīng)： CaO+3C CaC2+CO 對電石焦的要求如下： （ 1） 生石灰粒度 3mm～ 40mm， 生石灰的導熱系數(shù)約為焦炭的 2倍 ， 因此電石焦的粒度以 3mm～ 20mm為宜 。 現(xiàn)在有的電石廠所用焦炭往往用半焦代替 ， 這樣生產(chǎn)成本將會大大降低 。 （ 4） 電石焦要求硫分＜ %， 磷分＜ %。 此外 ， 煤氣中硫含量正比于焦炭硫分 ， 所以氣化焦的硫含量不宜過高 。一般鑄造焦灰分減少 1%， 焦炭消耗約降低 4%， 鐵水溫度約提高 10℃ 。 （ 2） 硫 硫是鑄鐵中的有害元素 ， 通常應(yīng)控制在 %以下 ， 沖天爐內(nèi)焦炭燃燒時 ， 焦炭中的硫一部分生成 SO2，隨爐氣上升 ， 在預熱區(qū)和熔化區(qū)內(nèi)與固態(tài)金屬爐料作用發(fā)生如下反應(yīng)： 3Fe（ 固） +SO2→FeS+2FeO+363000kJ/kg （ 分子） kd 焦炭及其性質(zhì) 因此含硫低于 %的原料鐵 ， 經(jīng)氣相增硫后 ， 鐵料的含硫量可達 %。 爐缸中溫度約為1500℃ ， 這時鐵水中的 FeO、 MnO 、 SiO2能被浸漬在鐵水和爐渣中的焦炭還原 ， 從而減輕 Si、 Mn的燒損 ， 這種還原反應(yīng)隨爐渣厚度增高而增強 。 因此在爐缸以上的氧化帶 ， 鐵水中的 C、 Si、 Mn、 Fe均有所損失 ，但鐵水失碳時鐵水表面形成的一層脫碳膜可以制約 Si、 Mn、Fe的氧化 ， 且溫度愈高 ， Si、 Mn、 Fe的氧化燒損愈少 ， 這就要求有較高的鐵水溫度 。 由此可見 ， 降低焦炭的灰分 、 硫分 ， 對高爐生產(chǎn)具有重要意義 。 因此 ， 通常焦炭經(jīng)高溫處理后 ， 產(chǎn)生石墨化 ， 氣孔壁被加固 ， 反應(yīng)性理應(yīng)降低 ， 但經(jīng)高爐解體取焦樣分析表明 ， 焦炭反應(yīng)性在爐身下部明顯增強 ， 其原因就是由堿金屬在軟融帶的富集所引起 。 焦炭及其性質(zhì) 焦炭進入軟融帶后 ， 由于受高溫熱力 、 尤其是碳溶反應(yīng)的作用 ， 使焦炭氣孔壁變薄 、 氣孔率增大 、 強度降低 ，并在下降過程中受擠壓 、 磨擦作用 ， 使焦炭粒度減小和粉化 ， 料柱透氣性變差 。 焦炭的熱能源 、 還原劑作用可在一定程度上被部分取代 。 進入滴落帶以下風口前的焦炭在高速熱氣流的吹動下劇烈回旋并猛烈燃燒形成回旋的風口區(qū) ， 風口區(qū)的周邊是焦塊 、 焦屑 、 鐵水和風口區(qū)邊界層形成動平衡 。 sl 焦炭及其性質(zhì) 二 、 料柱構(gòu)造及對焦炭的要求 1. 料柱構(gòu)造 高爐內(nèi)自上而下的溫度總趨勢是逐漸升高 ， 但高爐內(nèi)的等溫線并非沿橫截面呈水平狀 ， 而是因高爐爐型 、 原料品位和操作參數(shù)等因素 ，等溫線可呈 “ ｗ ” 形或倒 “ ｖ ” 形 （ 圖 18） 。 爐渣組成主要由總堿度 或堿度 表示 。 值主要取決于爐渣的流動性 ， 即取決于其組成和溫度 。 生鐵中的硫以 FeS的形態(tài)溶于鐵水中 ， 只有在鐵水滴穿渣層時被部分脫除 。24h ） (1) )m()]t/(24 h[3VP高爐的有效容積高爐產(chǎn)鐵量 焦炭及其性質(zhì) 焦比 （ c） ： c = ， t焦 /（ t鐵 ） （ 2） 冶煉強度 ： , t焦 /(m3 焦炭及其性質(zhì) 爐身下部溫度為 800～ 1100℃ 的 Ⅱ 區(qū)內(nèi) ， 同時存在鐵的氧化物與碳之間的直接還原反應(yīng) ， 到 1100℃ 以上因 CO2幾乎 100%與焦炭作用生成 CO， 從全過程看是直接還原反應(yīng)： FeO+CO=Fe+CO2+ + CO2+C= ————————————— FeO+C=Fe+ 直接還原的鐵量占鐵氧化物還原的總鐵量之比稱直接還原度 ， 一般高爐的 = ～ 。 鐵水和爐渣在向下流動過程中相互作用 ， 進行脫硫等反應(yīng) ， 到爐缸下部 ， 二者借互不溶性和密度差異而分離 ， 并分別從渣口和鐵口定期放出爐外 。 從煉鐵的工藝過程來看 ， 它包括上料 、 鼓風 、 出鐵排渣 、 和煤氣等系統(tǒng) 。 考慮到焦炭受碳溶反應(yīng)的破壞是不可逆的 ， 故反應(yīng)后強度的測定在常溫下進行 ， 從而大大簡化了試驗設(shè)備和操作 。 焦炭及其性質(zhì) （ 111） 式中 G0—— 參加反應(yīng)的焦炭試樣質(zhì)量 ， kg； G1—— 反應(yīng)后殘存焦炭質(zhì)量 ， kg。 采用干熄焦可以避免水汽對焦炭氣孔表面的活化反應(yīng) ， 也有助于降低焦炭反應(yīng)性 。 焦炭及其性質(zhì) 總之 ， 焦炭與 CO2的反應(yīng)速度與焦炭的化學性質(zhì)及氣孔比表面有關(guān) 。 反應(yīng) （ 3） 也稱碳素溶解反應(yīng) （ 高爐內(nèi)主要發(fā)生在900～ 1300℃ 的軟融帶和滴落帶 ） 。 一些國家對高爐焦含硫指標規(guī)定如表 13所示 。 經(jīng)硼酸溶液吸收 ， 最后用硫酸標準溶液滴定 ， 以確定焦樣中的含氮量 。 2． 元素分析 焦炭元素分析是指焦炭按碳 、 氫 、 氧 、 氮 、 硫和磷等元素組成確定其化學成分時 ， 稱為元素分析 。 可見 ， 我國高爐焦的灰分指標與其它一些國家相比偏